江科大/江协科技 STM32学习笔记P25

USART串口协议

通信接口

为什么需要通信

将一个设备的数据传到另一个设备，扩展硬件系统，比如在stm32芯片里集成了很多功能模块，定时器计数、PWM输出、AD采集等等，都是芯片内部的电路，这些电路的配置寄存器、数据寄存器都在芯片里面，操作这些寄存器直接读写就行，但有些STM32内部没有的功能，比如蓝牙无线遥控、陀螺仪加速度计测量姿态等等，只能外挂芯片，STM要想获取这些数据，需要在两个设备间连接上一根或多跟通信线，通过通信线路发送或者接受数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的。

引脚

TX(Transmit Exchange)是数据发送脚，RX(Receive Exchange)是数据接收脚。
SCL(Serial Clock)是时钟，SDA（Serial Data）是数据。
SCLK（Serial Clock）是时钟，MOSI（Master Output Slave Input）是主机输出数据脚，MISO（Master Input Slave Output）是主机输入数据脚，CS（Chip Select）是片选，用于指定通信的对象。
CAN_H、CAN_L是差分数据脚，用两个引脚表示一个差分数据。
DP（Data Positive）和DM（Data Minus）或者脚D+和D-，也是一对差分数据脚。

双工

全双工的通信都有两根通信线，半双工有一根通信线，CAN和USB两根差分线也是组合成一根数据线的。

时钟特性

比如发一个波形，高电平然后低电平，接收方如何知道是1、0还是1、1、0、0呢，这时需要一个时钟信号来告诉接收方，什么时候需要采集数据，时钟特性分为同步和异步，I2C和SPI有单独的时钟线，所以是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样，剩下的串口、CAN和USB没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，这就是异步通信，并且还要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。

电平特性

上面三个单端信号，引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须共地，就是把GND接在一起，所以说前三个的通信引脚还应该加一个GND引脚。CAN和USB是差分信号，是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，由于USB协议里也有些地方需要单端信号，所以USB需要共地，使用差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高。

设备特性

串口和USB是点对点的通信，中间三个是可以在总线上挂载多个设备的，点对点通信相当于一对一，多设备需要有一个寻址的过程确定通信的对象。

串口通信

USB转串口模块

上面有CH340芯片，可以把串口协议转换为USB协议

陀螺仪传感器模块

可以测量角速度、加速度这些姿态参数

蓝牙串口模块

硬件电路

一般串口通信的模块都有四个引脚，VCC、TX、RX、GND，VCC和GND是供电，TX和RX是通信的引脚，TX和RX是单端信号，他们的高低电平都是相对于GND的，所以严格来说GND也算是通信线，所以这三个引脚必须接，对于VCC，如果两个设备都有独立供电，那VCC可以不接，如果其中一个设备没有供电，比如设备1是STM32，有独立供电，设备2是蓝牙串口没有独立供电，需要把蓝牙串口的VCC和STM32的VCC接在一起，STM32通过这根线，向右边的子模块供电，供电的电压注意要按子模块的要求来。
TX是发送，RX是接收，一个设备的发送接另一个设备的接收，一个设备的接收接另一个设备的发送。
如果仅需要设备1向设备2通信，可以只接设备1的TX到设备2的RX。
串口有很多电平标准，直接从控制器里出来的信号，一般都是TTL电平，想通的电平才能互相通信，不同的电平信号，需要加一个电平转换芯片，转接一下。

电平标准

单片机这种低压小型设备，使用TTL电平。
RS232电平一般在大型的机器上使用，由于环境可能比较恶劣，经典干扰比较大，所以电平的电压都比较大，而且允许波动的范围也很大。
RS485电平是差分信号，差分信号抗干扰能力非常强，使用RS485电平标准，通信距离可达上千米，上面两个最远只能几十米。

串口参数及时序

如何用1和0，来组成我们想要发送的一个字节数据，两个时序图是串口发送一个字节的格式，格式是串口协议规定的，串口中每一个字节都装载在一个数据帧里面，每个数据帧都由起始位、数据位和停止位组成。
左边数据位有8个，代表一个字节的8位。右边数据帧里还可以在数据位的最后加一位奇偶校验位，数据位共9位，其中有效载荷是前8位，代表一个字节，校验位跟在有效载荷后面，占1位。

波特率

规定串口通信的速率，因为串口一般是使用异步通信，所以需要双方约定一个通信速率，比如每隔1s发送一位，就要每隔1s接收一位，如果接收快了就会重复接收某些位，如果接收慢了就会漏掉某些位，所以发送和接收必须约定好速率，这个速率参数就是波特率。波特率本来的意思是每秒传输码元的个数，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud），另外还有个速率表示，叫比特率，比特率的意思是每秒传输的比特数，单位是bit/s，或者叫bps。在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时波特率就等于比特率，像单片机的串口通信，基本都是二进制调制，高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit，所以这个串口的波特率，经常会和比特率混用，但没关系，这两个说法的数值相等。如果是多进制调制，那波特率和比特率就不一样了。反映到波形上，如果双方规定波特率为1000bps，表示1s要发1000位，每一位的时间就是1ms。发送方每隔1ms发送一位，接收方每隔1ms接收一位，这就是波特率，决定了每隔多久发送一位。

起始位

串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，引脚必须置高电平作为空闲状态，需要传输的时候必须要先发送一个起始位，起始位必须是低电平来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，下降沿就告诉接收设备这一帧数据要开始了，如果没有起始位，那发送8个1的时候，数据线就一直是高电平没有任何波动，这样接收方不知道什么时候发送数据，所以必须要有一个固定为低电平的起始位，产生下降沿，来告诉接收设备要发送数据了。

停止位

同理在一个字节数据发送完成后，必须要有一个停止位，停止位的作用时用于数据帧间隔，固定为高电平，同时这个停止位也是为下一个起始位做准备的，如果没有停止位，那当数据最后一位是0的时候，下次再发送新的一帧就没法产生下降沿了。即起始位固定为0，产生下降沿，表示传输开始，停止位固定位1，把引脚恢复成高电平，方便下一次的下降沿，如果没有数据了，正好引脚也为高电平，代表空闲状态。

数据位

如果发送一个字节是0x0F，首先把0F转换为二进制，就是0000 1111，然后低位先行，所以数据要从低位开始发送，也就是1111 0000，依次放在发送引脚上，最终引脚的波形就是下图所示。

校验位

串口使用奇偶检验的数据验证方法，奇偶校验可以判断数据传输是不是出错了，如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传，校验可以选择3种方式，无校验、奇校验和偶校验，无校验就是不需要校验位，波形是左边这个，起始位、数据位、停止位，总共三个部分，奇校验和偶校验的波形是右边这个，起始位、数据位、校验位、停止位，总共四个部分。

奇校验

如果使用了奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，比如传输0000 1111，四个1是偶数个，校验位需要再补一个1，0000 11111，总共五个一，保证1位奇数，如果数据是0000 1110，此时3个1奇数个，校验位补0，0000 11100，总共3个1,1的个数为奇数，发送方在发送数据后，会补一个校验位，保证1的个数为奇数，接收方在接收数据后，会验证数据位和校验位，如果1的个数还是奇数，就认为数据没出错，如果因为干扰接收方发现1个个数不是奇数就认为传输出错，可以选择丢弃或要求重传，这就是奇校验的差错控制方法。

偶校验

保证1的个数是偶数，注意奇偶校验的检出率不是很高，如果两位数据同时出错，奇偶特性不变就校验不出来，所以奇偶校验只能保证一定程度上的数据校验。

最后补充，数据位有两种表示方法，一种是把校验位作为数据位的一部分，像下面的时序一样，分为8位数据和9位数据，其中9位数据就是8位有效载荷和1位校验位，另一种就是把数据位和校验位独立开，数据位就是有效载荷，校验位就是独立的1位，上面描述的就是把数据位和校验位分开描述，在串口助手里也是分开描述。

串口时序

用示波器实测波形，操作方法是把探头的GND接在负极，探头接在发送设备的TX引脚，然后发送数据就能捕捉到这些波形了。

第一个波形是发送一个字节数据0x55时，在TX引脚输出的波形，波特率是9600，所以每一位的时间就是1/9600,大概是104us，每一位就是100us多一点，就是104us，数据帧开始，先发送起始位，产生下降沿，代表数据帧开始，数据0x55转为二进制，低位先行，就是依次发送1010 1010，然后这个参数是8位数据，1位停止，无校验，没有校验位，所以之后就是停止位，把引脚置回高电平，这样一个数据帧就完成了，在STM 32中根据字节数据翻转高低电平，是由USART外设自动完成的，不用我们操心。

如果发送0xAA，起始位，然后0101 0101，停止位，结束。

如果发送0xFF，就是8个1，起始位，8个1，停止位，结束。在起始位下降沿之后的一个数据帧的时间内，高电平就是作为数据1来看的，当数据帧结束后，虽然还是1，没有任何变化，但此时的1已经属于空闲状态了，需要等待下一个下降沿来开启新的一帧数据。

如果发送0x00，就是8个0，波形就是，起始位，8个0，停止位置回高电平。

如果把波特率改为4800，也就是波特率变为一半，相应的波形时长就会变为原来的二倍，十位数据总共大概2ms多一点，具体应该2.08ms，一位就是208us，是之前的二倍，数据波形的时间拉宽，波形的变化趋势是不变的。

数据是0x55，加了偶检验位，1个的个数是4个，已经是偶数了，所以输出的校验位是0，低电平，此时包括校验位在内的数据总共是偶数个1。

最后看停止位的变化，串口的停止位是可以进行配置的，可以选择1位、1.5位、2位等，上面的波形是1位停止位，连续发送两个0x55，两个数据帧回接在一起，中间没有空闲状态，下面波形是2位停止位，连续发送两个0x55，停止位就是两位的宽度，中间没有空闲，不过数据分割的就更宽一些了，这就是不同长度停止位的现象。

总结一下，TX引脚输出定时翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平，每个字节的数据加上起始位、停止位、可选的校验位，打包为数据帧，依次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收，这样就完成了字节数据的传递，这就是串口通信。